Однонаправленный преобразователь поверхностных акустических волн

 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в фильтрах промежуточных и несущих радиочастот для селекции сигналов в радиотелефонах, пейджерах, мобильных системах связи и т.д. Техническим результатом является уменьшение вносимых потерь устройства. При подаче электрического сигнала на однонаправленный преобразователь, содержащий элементарные секции из провофазных возбуждающих электродов 2, 3 и отражающего электрода 4, в пьезоэлектрическом звукопроводе 1 возбуждаются поверхностные акустические волны (ПАВ), распространяющиеся в прямом и обратном направлении. В каждой элементарной секции ширины b₁ и b₂ первого 2 и второго 3 возбуждающих электродов выполнены соответственно равными λ/6 и λ/8 , а ширина b₃ отражающего электрода 4 выполнена равной λ/4 , при этом расстояние между соседними краями первого 2 и второго 3 возбуждающих электродов выбрано равным λ/6 , а расстояние между соседними краями второго возбуждающего и отражающего электродов 3 и 4 выбрано равным λ/8 , где λ длина ПАВ на средней частоте. При указанных соотношениях обеспечивается повышение эффективности преобразования ПАВ на 30-40% при сохранении высокой однонаправленности излучения. Это позволяет снизить вносимые потери преобразователя и фильтра, в котором преобразователь применяется. 5 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в фильтрах промежуточных и несущих радиочастот для селекции сигналов в радиотелефонах, пейджерах, мобильных системах связи и т.д.

Известен преобразователь поверхностных акустических волн (ПАВ), содержащий пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого размещены противофазные возбуждающие электроды.

Ширины b_i возбуждающих электродов выполнены равными λ/4, а расстояние между краями соседних возбуждающих электродов выбрано также равным λ/4, где λ - длина ПАВ на средней частоте преобразователя (фиг. 1,а) [1].

Известный преобразователь обладает высокой эффективностью трансформации электрической энергии в акустическую и обратно. Это обусловлено тем, что в каждой элементарной секции, протяженность которой ограничена длиной волны λ, преобразователь содержит четыре δ - источника ПАВ, размещенных на краях электродов, и волны, излученные ими, складываются синфазно [1]. Удельную эффективность известного преобразователя [1] на длину волны λ можно оценить, преобразуя четыре δ источника и с учетом их знаков в один эквивалентный источник, размещенный в условном центре возбуждения 00. Считая амплитуды δ источников одинаковыми, т.е. , можно найти эффективность эквивалентного источника по величине излучаемой им волны, складывая парциальные волны, изучаемые каждым δ источником. Для волны, излучаемой вправо (прямая волна) в соответствии с фиг. 1,б получим Аналогично, для волны, излучаемой влево (обратная волна) Поскольку элементарные секции преобразователя размещены с периодом λ, то и волны от источников в соседних секциях складываются синфазно, образуя в результате известное явление акустического синхронизатора. В этом случае средняя частота f_ср преобразователя совпадает с частотой акустического синхронизма f₀ = V/λ, где V - скорость ПАВ.

Основным недостатком известного преобразователя ПАВ являются высокие вносимые потери a_вн, обусловленные двунаправленностью излучения ПАВ и составляющие для фильтра на ПАВ не менее 6 дБ даже в согласованном режиме.

Другим недостатком являются большие искажения (до Δa = 4 дБ и более) амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), так как волны, падающие на преобразователь справа на вход 11 или слева на вход 22 и затем отраженные от краев электродов шириной λ/4, в известном преобразователе также складываются в фазе. Совокупная отраженная волна имеет на частоте f₀ фазовый сдвиг -90^o (фиг. 1,в).

Это делает невозможным использование известного преобразователя в фильтрах для систем мобильной связи и радиотелефонах. Фильтры для подобных систем должны иметь вносимые потери не более a_вн=3-10 дБ на промежуточных частотах 70-250 МГц и не более a_вн=2-4 дБ на радиочастотах 800-1800 МГц, а также пульсации АЧХ не более Δa = 0,2 - 0,6 дБ.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является однонаправленный преобразователь ОНП (или Single Phase Unidirectional Transducer - SPUDT) типа DART (Distributed Acoustic Reflection Transducer) [2].

Известный ОНП типа DART содержит пьезоэлектрический звукопровод 1, на рабочей поверхности которого размещены элементарные секции, содержащие первый и второй противофазные возбуждающие электроды и отражающий электрод. Ширина возбуждающих электродов и зазоров между возбуждающими и отражающими электродами составляют λ/8, а ширина отражающего электрода выполнена равной 3λ/8, где λ - длина ПАВ на средней частоте ОНП. При этом протяженность каждой элементарной секции, определяемая расстоянием между первой 11 и второй 22 условными границами, равна λ (фиг. 2,а). В пределах ОНП закон распределения элементарных секций может отличаться от периодического, между секциями могут быть размещены дополнительные возбуждающие или отражающие электроды и т.д.

Известный преобразователь [2] в каждой элементарной секции также содержит четыре δ источника с амплитудами , которые можно объединить в один эквивалентный источник, размещенный в эффективном центре возбуждения 00. Эффективность эквивалентного источника можно оценить по величине излучаемой волны, которая будет равна (фиг. 2,б) Сравнив эффективность эквивалентных источников в элементарных секциях преобразователя DART [2] и преобразователя [1] получим По оценкам других авторов это соотношение равно 0,456 [3]. Таким образом, эффективность DART более чем в 2 раза меньше эффективности двунаправленного преобразователя.

Но известный преобразователь [2] обладает хорошей направленностью излучения, так как волны, возбужденные в прямом и обратном направлениях и отраженные от краев a, b, c, d электродов 2, 3, компенсируются, а волны, отраженные краями e, f электрода 4, складываются в фазе с волнами exp(i(ωt+kx)), излученными в обратном направлении, и в противофазе с волнами exp(i(ωt-kx)), излученными в прямом направлении (фиг. 2,в). В результате амплитуда совокупной волны, распространяющейся от центра возбуждения в прямом X направлении на выходе секции в сечении 11, будет равна
а волны, распространяющейся в обратном направлении -X на выходе секции в сечении 22, будет равна

где
r= C(h/λ ) - коэффициент отражения ПАВ от края электрода. При этом механическая компонента r имеет знак (-) при отражении волны от ступеньки вверх и знак (+) при отражении от ступеньки вниз.

Основным недостатком известного ОНП [2] являются сравнительно высокие вносимые потери, обусловленные его недостаточной эффективностью преобразования акустической энергии в электрическую и обратно.

Технической задачей изобретения является уменьшение вносимых потерь.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в однонаправленном преобразователе поверхностных акустических волн (ОНП ПАВ), содержащем пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого размещены элементарные секции, содержащие противофазные первый и второй возбуждающие электроды и отражающий электрод, а протяженность элементарных секций выбрана равной длине λ ПАВ на средней частоте ОНП, в каждой элементарной секции ширины первого b₁ и второго b₂ возбуждающих электродов выполнены соответственно равными λ/6 и λ/8, а ширина b₃ отражающего электрода выполнена равной λ/4, при этом расстояние между соседними краями первого и второго возбуждающих электродов выбрано равным λ/6, а расстояние между соседними краями второго возбуждающего и отражающего электродов выбрано равным λ/8.

На фиг. 1 представлен известный двунаправленный преобразователь ПАВ [1] и векторные диаграммы для анализа взаимодействия волн, возбужденных в прямом направлении X, и волн, отраженных от краев электродов; на фиг. 2 - конструкция и векторные диаграммы для анализа известного ОНП [2]; на фиг. 3 - предлагаемый ОНП с низкими вносимыми потерями и векторные диаграммы для анализа его работы; на фиг. 4 и 5 - экспериментальные частотные зависимости коэффициентов передачи S₂₁ соответственно для известного ОНП типа DART и предлагаемого ОНП.

Однонаправленный преобразователь поверхностных акустических волн (ОНП ПАВ) содержит пьезоэлектрический звукопровод 1, на рабочей поверхности которого размещены элементарные секции, содержащие противофазные первый 2 и второй 3 возбуждающие электроды и отражающий электрод 4. Протяженность элементарной секции, определяемая расстоянием между первой 11 и второй 22 условными границами, выбрана равной длине λ ПАВ на средней частоте ОНП. В каждой элементарной секции ширины b₁ и b₂ первого 2 и второго 3 возбуждающих электродов выполнены соответственно равными λ/6 и λ/8, а ширина b₃ отражающего электрода 4, выполнена равной λ/4. При этом расстояние между соседними краями первого 2 и второго 3 возбуждающих электродов выбрано равным λ/6, а расстояние между соседними краями второго возбуждающего 3 и отражающего 4 электродов выбрано равным λ/8.

Конструкция ОНП для излучения ПАВ в противоположном направлении является зеркальным отображением описанной конструкции (фиг. 3,г).

Однонаправленный преобразователь ПАВ работает следующим образом.

При подаче электрического сигнала от внешнего генератора (не показан) противофазными электродами 2, 3, 4 разнофазными источниками и генерируются ПАВ, которые распространяются в пьезоэлектрическом звукопроводе 1 в прямом X и обратном - X направлениях. Для удобства анализа четыре δ источника и можно объединить в один эквивалентный источник, размещенный в условном центре возбуждения 00. Тогда волна, распространяющаяся в прямом направлении X, будет E₃=exp(i(ωt-kx)), а волна, распространяющаяся в обратном направлении - X, будет E₃=exp(i(ωt+kx)), где k - волновое число, x - текущая координата вдоль оси X.

Эффективность эквивалентного источника можно оценить как

что на 46% выше, чем у известного ОНП [2].

Таким образом, в предложенном ОНП достигается уменьшение вносимых потерь, связанных с эффективностью преобразования электрической энергии в акустическую и обратно.

Оценим теперь направленность излучения предложенного преобразователя, которая определяется как [2]:

где
S₃₁ и S₃₂ -коэффициенты передачи ОНП в прямом и обратном направлении соответственно.

Пренебрегая дважды отраженными волнами в силу их малости (обычно r= 0,02-0,05), получим, что волна на выходе 11 элементарной секции ОНП равна векторной сумме прямой волны, излученной эквивалентным источником в прямом направлении, и волн, образованных отражением от электродов элементарной секции волны, падающей справа на вход 11. При этом падающая волна образована эквивалентными источниками, размещенными в соседних секциях ОНП, и работающими синфазно с рассматриваемым источником . Для волны на выходе 22 картина отражений зеркальная.

Приведя амплитуды отраженных волн к центру излучения 00, в приближении однократного отражения получим амплитуду прямой волны

Амплитуда обратной волны, вытекающая из элементарной секции

Из соотношений между и следует, что для конструкции преобразователя, изображенного на фиг. 3,а, реализуется направленность излучения в направлении -X (справа налево). Для реализации направленности излучения в направлении X (слева направо) конструкция ОНП зеркальная (фиг. 3,г).

Направленность излучения элементарной секции предлагаемого ОНП

что несколько ниже, чем у известного DART [2]:

но снижение вносимых потерь на 0,05-0,1 дБ, обусловленных ухудшением направленности излучения, с избытком компенсируется увеличением эффективности возбуждения.

Таким образом, в предложенном устройстве обеспечивается решение поставленной задачи - уменьшение вносимых потерь.

Пример 1. Рассмотрим для примера использование ОНП в фильтре на промежуточную частоту f₀ = 112,32 MHz с полосой пропускания Δf₃=1,2 MHz для бесшнуровых радиотелефонов общеевропейского стандарта DECT. На фиг. 4 и 5 представлены АЧХ фильтров, в составе которых использован известный ОНП типа DART [2] и предлагаемый ОНП. Оба фильтра изготавливались на подложках из кварца ST-среза, сопротивления нагрузок также одинаковы для обоих вариантов R_g= Rl=50 Ом. Из сравнения фиг. 4 и 5 видно, что вносимые потери фильтра на основе предлагаемого ОНП на 1,2 - 1,5 дБ ниже, чем у прототипа.

Из приведенных примеров очевидно, что использование предлагаемого технического решения позволяет снизить вносимые потери ОНП и фильтров на ПАВ, где этот ОНП используется.

Литература
1. Фильтры на поверхностных акустических волнах /Под ред. Г.Мэтьюза.-М.: Радио и связь, 1981, с. 111.

2. T.Kodama at al. "Design of low-loss SAW Filters Emplojing Distributed Acoustic Reflection Transducers". Proc. 1986 Ultrasonics Symposium, p. 59-64.

3. P. B. Abbott, C.S.Hartmann "An efficient evaluation of the electrostatic fields in with periodic electrode sequences". Proc. 1993 Ultrasonics Symposium, p. 157-159.

Формула изобретения

Однонаправленный преобразователь поверхностных акустических волн (ОНП ПАВ), содержащий пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого размещены элементарные секции, содержащие противофазные первый и второй возбуждающие электроды и отражающий электрод, при этом протяженность элементарных секций выбрана равной длине λ ПАВ на средней частоте ОНП, отличающийся тем, что в каждой элементарной секции ширины первого b₁ и второго b₂ возбуждающих электродов выполнены соответственно равным λ/6 и λ/8, а ширина b₃ отражающего электрода выполнена равной λ/4, при этом расстояние между соседними краями первого и второго возбуждающих электродов выбрано равным λ/6, а расстояние между соседними краями второго возбуждающего и отражающего электродов выбрано равным λ/8.г

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5